《Sensors》：A Pulsatile Flow-Modulation Microfluidic Sensor for Simultaneous Monitoring of Red Blood Cell Aggregation and Viscosity-Sensitive Time Constant
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红细胞（RBC）聚集与黏度相关的流动阻力是评估血流异常的重要血液流变学参数，但它们的同时测量通常需要多个泵或间歇性停止流动。在此项研究中，研究人员提出了一种单注射泵微流控传感方法，用于在连续脉动血液输送下同时评估RBC聚集和瞬态流动响应。该装置由单个入口、一条
红细胞（RBC）聚集与黏度相关的流动阻力是评估血流异常的重要血液流变学参数，但它们的同时测量通常需要多个泵或间歇性停止流动。在此项研究中，研究人员提出了一种单注射泵微流控传感方法，用于在连续脉动血液输送下同时评估RBC聚集和瞬态流动响应。该装置由单个入口、一条主直通道、一条分叉测试通道和一个大出口组成。通过在高速率（Qh = 6 mL/h，持续2分钟）和低速率（Ql = 1 mL/h，持续4分钟）之间周期性切换流动速率来应用优化的脉动流剖面，并通过分析瞬态速度响应来提取时间常数（λ1）作为黏度相关指标。经过优化，所选的流动剖面提供了λ1和RBC聚集指数（AI）的稳定且可重复的测量结果，同时减少了不必要的血液消耗。λ1与黏度表现出很强的相关性，并且受注射器空气顺应性的显著影响。所提出的AI与传统聚集指数相比表现出一致的趋势。此外，它在连续血流下表现出时间稳定性。最后，该方法被用于检测连续输注期间血液的随时间变化特征，证明了其作为一种简单、灵敏且实用的微流控传感器在实时血液流变学监测中的潜力。
红细胞（RBC）聚集被认为是关键的血液流变学现象，对血液黏度和流体阻力有强烈影响，从而可能影响低剪切率下的组织灌注。由于RBC聚集调节微血管流动阻力和氧气运输，其定量评估对于临床评估与炎症、心血管和代谢疾病相关的血液流变学改变具有重要意义。在常规的RBC聚集检测中，通常需要将外部驱动源突然关闭以停止血流，使RBC在近停滞或低剪切条件下重新聚集，这难以满足连续流动条件下的监测需求。此外，以往基于微流控通道的连续流检测方法往往需要依赖双精密泵引入参比流体并共流，这在连续输注时会导致血液稀释，从而难以将其与真实的RBC变化区分开来。为解决在连续血流中避免流体稀释干扰并简化设备的问题，研究人员开展了一项新研究，提出一种基于单注射泵的微流控传感方法，能够在连续脉动血液输送下同时评估RBC聚集与瞬态流动响应。该研究得出结论，通过所提出的脉动流调制方法，可以稳定测量与黏度相关的时间常数（λ1）和RBC聚集指数（AI），并且成功在连续输注过程中检测到随时间变化的血液特性。这为实时监测、微流控诊断和未来的即时检测（POCT）血液流变学评估提供了一种简单、灵敏且实用的检测策略。该论文发表在《Sensors》期刊上。
为开展此项研究，研究人员主要使用了以下几项关键技术方法：首先，采用标准软光刻和MEMS微加工技术制作了包含单一入口、主通道、分叉测试通道和大出口的微流控芯片。其次，利用单注射泵（Syringe pump）并在注射器内液面上方维持特定体积的空气腔（Vair）以引入系统流体顺应性，借此产生优化的脉动血流曲线。在图像与数据采集端，借助倒置显微镜与高速相机（5000 fps）获取微通道内的连续图像，并使用PIVlab与MATLAB软件分别进行数字粒子图像测速与图像空间强度分析。在数学建模方面，研究人员建立了一个集总参数流体电路模型来提取黏度敏感的时间常数（λ1）并估算分叉通道内的剪切率。研究所用样本队列来源于光州-全南血液库（Gwangju–Chonnam Blood Bank）提供的红细胞单位，并配置了不同红细胞压积（?vol）和不同浓度右旋糖酐（Cdex）的血液样本。
在“所提方法的演示”部分中，研究人员通过对比测试血液与对照血液验证了该传感系统。通过在脉动流的从高流速向低流速转换阶段对主通道时均速度（Umc）进行双指数模型回归分析得出，测试血液的快速时间常数（λ1）显著高于对照血液。同时，通过分析低流速下测试通道内的微观图像强度空间分布计算出RBC聚集指数（AI），结果表明在低流速条件下，由于显著的红细胞聚集，测试血液的AI值大幅增加。该结果证明了该方法能够响应由特定悬浮介质引起的红细胞聚集流变特性的增强，并具备设计上预期的同时测量双指标的能力。
在“血液黏度与时间常数的相关性”部分中，研究人员通过改变输液流速、红细胞压积（?vol）和右旋糖酐（Cdex）浓度验证了λ1与黏度的关系。实验通过分析主通道瞬态流速主成分衰减斜率得出，当微通道处于高剪切条件（剪切率大于103 s
-1）时，λ1随血液黏度呈线性增加。随着压积和右旋糖酐浓度的升高，由于血液宏观表观黏度的增加，流体受到的液压阻力增大，使得λ1相应上升。这证实了时间常数λ1可以作为反映血液黏度和流动阻力相关变化的可靠物理学指标。
在“将所提的RBC聚集指数与现有方法进行验证”部分中，研究人员将所提出的AI与两种传统指数（停滞聚集指数AIp1和连续流聚集指数AIp2）在响应时间、可靠性和重复性上进行了对比。通过在不同流速、不同红细胞压积（?vol）以及不同右旋糖酐（Cdex）浓度下提取三种指标得出结论：本文所提出的AI数值虽然绝对值偏低且在流速响应灵敏度上与之前的方法相近，但由于其测量仅依赖于.branch通道特定位置上的图像强度空间分布平均，因此极大地减少了由于成像区域随机漂移等带来的时序噪声，相比AIp2具有更高的时序稳定性，随流速变化的趋势更为平滑且易于判别临界点。此外，AI有着与AIp1和AIp2完全一致的在压积增大时降低、在右旋糖酐提升时增加的极性变化响应。这证明了所提AI是一种能够在连续流动状态下定量评估红细胞聚集的稳健且具有可重复性的指标。
在“脉动血流输注曲线的优化”部分中，研究人员探讨了脉动周期（T）、高流速设定值及其维持时间对测量精度的影响。通过绘制主通道时均流速Umc与相应AI随时间的演化曲线得出，如果高流速阶段（th）过短，两指标的时序响应均无法达到稳定平台。经过对多周期、多流速组合的测试得出最佳输注条件为：高流速设定在6 mL/h并维持120秒，低流速设定在1 mL/h并维持240秒（一个周期T=360秒）。在此工况下，不仅可以保证Umc和AI均能在高低流速阶段达到稳定的平台期，同时兼顾了较低的无谓血样损耗，且能够保证第二测试周期获取的λ1与第一个周期相比不出现明显的偏倚衰退，具有稳定的时间重复性。
在“空气顺应性对时间常数的贡献”部分中，研究人员利用甘油溶液和对照血液，探究了注射器内不同体积空气层（Vair）对系统响应的影响。通过量化流动突然停止阶段或脉动低流速初期的瞬态速度衰减得出，由于空气层构成了等效的流体电容顺应性元件，能够吸收扰动与压力波动。随着Vair的增大，系统响应的λ1显著增加，证明了空气顺应性确实会显著延迟瞬态流动响应并增加流场的有效阻力感测时间。然而，两组连续周期的λ1比值（λ1-T2/λ1-T1）并未随Vair发生显著变化，这表明即便存在较大的空气弹性缓冲，系统时间常数在历经一个脉动周期之后仍能保持良好的周期内以及周期间的测量可重复度。
在“连续输注期间血液变化的监测”部分中，研究人员通过模拟注射器内红细胞的沉降现象，考察了系统对输注过程中血液流变特性动态变化的检测灵敏度。通过在连续两周期监测λ1和AI的演变得出，由于红细胞发生自身重力沉降而在注射器内造成局部红细胞压积改变，测试通道接收到的血样流变特性随之随时间推移发生连续渐变，直接反映为局部黏度降低时，短路主回路内的流阻下降进而使得λ1-T1随时间显著逐渐减小；同时由于压积逐渐降低，AI表现出明显的下降趋势。而在黏度增强状态下（增加右旋糖酐浓度），则情况反之。结果表明，通过同步追踪和计算这两个独立参数，该方法能够可靠、高灵敏度地连续反映连续输注条件下血样物理特性的变化。
在讨论与结论部分，研究人员总结指出，该研究提出的微流控方法实现了在单泵连续脉动血液输送下对黏度相关瞬态流动特性与红细胞聚集的同步评估。该方法利用优化的脉动流剖面，通过周期性地在高流速与低流速之间切换并设定特定的维持时间，成功获取了稳定的测量结果。时间常数（λ1）表现出与流体黏度的强正相关性，验证了其作为流阻及特征黏度替代指标的有效性。该研究所提出的聚集指数（AI）在不同压积和悬浮介质浓度下表现出与传统指数相一致的变化趋势，但在连续流监测中体现出更为优异的时间稳定性。通过优化脉动流参数并控制空气腔以保证系统设定固有顺应性后，该系统不仅大幅减少了不必要的血液样本损耗，还具备了在剪切率切换临界期稳定平台期输出的优势。最终，通过在实际连续输注测试中随时间动态监测，该系统成功输出了αν相关的血样动态物性变化轨迹，证实了其作为一种便捷、灵敏的微流控传感方法应用于实时血液流变分析的可行性。综合而言，本系统完全摒弃了多泵切换和繁杂的(img)界面临踪算法。去除了泊淞流体共流稀释现象。末来研究将长期关注通过许验完成更复杂的P扩张。然而，长期的微流控连续血样检测仍存在微小损耗，未来将通过临床采样和热塑材料的一次性封装解决现有问题。以及进一步管控微流道长时间接触流体可能出现的表面蛋白阻滞流逝问题。该研究为微型血液分析仪的实用化集成提供了一条极具前景的新路径。
